CN111575701B - 一种钻头激光熔覆的生产线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光熔覆设备领域，具体公开了一种钻头激光熔覆的生产线，主要的发明点是高效地布置各个零部件，优化生产效率；同时适应性地改进部分零部件(比如再制造平台)；也调整熔覆的流程，先全面测量钻头，再统一规划熔覆路径。本方案再制造平台能根据焊接工艺的要求实现焊前预热、焊后保温的功能，全程可采用PLC程序自动控制，也可以根据不同工艺要求自动切换工艺程序，可以监控记录工作状态和工艺参数，安全节能，全程无需人工干预，自动化程度高。本方案采用移动加热炉的方式，能够轻易避开后续加工所引入设备的工作空间，不影响后续工艺的进行。

Description

一种钻头激光熔覆的生产线

技术领域

本发明属于激光熔覆设备领域，特别涉及一种钻头激光熔覆的生产线。

背景技术

激光熔覆再制造技术是一种绿色制造技术。激光熔覆作为一种高能量密度的加工手段，具有热影响区域小、残余应力小、修复效率高等特点。广泛应用于航天航空、机械冶金、地质勘探、船舶车辆等领域。

石油与天然气钻井钻头价值高、使用量大、容易磨损，目前使用最多的是聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact bit)，简称PDC钻头，它是以金刚石微粉与硬质合金衬底为原料，在超高压高温条件下烧结而成的复合超硬材料，既具有金刚石的硬度与耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料。其不仅应用于石油与天然气开采，还广泛应用于金属与非金属切削刀具、木材加工刀具、耐磨工具等许多领域。

PDC钻头又分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头。胎体式PDC钻头是将金刚石复合片通过钎焊方式焊接在钻头胎体上的一种切削型钻头。胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成，用钎焊将人造聚晶金刚石复合片焊在碳化钨胎体上，用天然金刚石保径。钢体PDC钻头是用镍、铬、钼合金机械加工成形。经过热处理后在钻头体上钻孔，将人造聚晶金刚石复合片压入(紧配合)钻头体内，用柱状碳化钨保径。

新钻头十分昂贵，一只钻头数万至数十万不等，钻头的再制造不仅减少已磨损废钻头的堆积浪费，修复后基本可以达到新钻头性能，而且成本只有新钻头的不到三分之一，可大幅度降低生产成本，符合循环经济和节能环保要求。

由于钻头的多样性，磨损表面不一定是直线或有规律的曲面，因此传统的多轴机床很难自动修复，导致目前还采用手工测量手工修复，不仅速度慢、数据不准确，而且对操作人员的工艺技术、熟练程度以及专注度等要求非常高，同时激光熔覆产生的高温、激光反射或照射、粉末飞溅产生的空气粉尘污染等作业环境污染问题，都会对操作人员的身体健康造成危害。

我司研发了一套自动化修复生产线，其中涉及钻头的辅助处理方法及其设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻头激光熔覆的生产线，实现自动化、准确高质量地修复钻头的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种钻头激光熔覆工艺，包括以下步骤：

S10.将所要修复的钻头安装到再制造平台；

S20.所述再制造平台驱动钻头沿钻头的轴心线旋转，测量机器人靠近钻头后测量钻头，然后形成三维的实际模型，钻头停止旋转，测量机器人远离钻头，测量机器人对比钻头的实际模型和理论模型，获得钻头的缺失部分，依据上述缺失部分规划后续的熔覆路径，形成驱动指令；

S30.感应加热炉朝钻头移动然后收纳钻头，按照驱动指令，感应加热炉预热钻头，预热结束后感应加热炉移动远离钻头，钻头开始旋转，同时再制造平台在共振系统的激发下传递振动使钻头共振，激光熔覆机器人修复钻头；

S40.熔覆结束后，感应加热炉重新靠近并收纳钻头，进行保温。

作为上述方案的改进，所述步骤S30中，采用中频加热炉预热钻头，将工频50Hz交流电变为中频，加热钻头至700℃，加热速率每15min不超过120℃。

作为上述方案的改进，所述步骤S30中，钻头在修复时如果钻头的温度低于600℃，激光熔覆机器人停止修复，感应加热炉重新靠近并收纳钻头，将钻头加工至700℃之后继续熔覆。

作为上述方案的改进，所述再制造平台内布置冷却机构，在步骤S30和S40 中不断带走钻头预热、熔覆、保温过程传递至再制造平台的热量。

作为上述方案的改进，所述驱动指令由PLC程序执行。

一种使用上述钻头激光熔覆工艺的生产线，包括：再制造平台，包括连接杆、分度头、调心支架、冷却机构、亚共振机构、驱动机构、控制中心和承载支架，所述分度头夹持连接杆的一端，所述驱动机构通过分度头驱动连接杆绕连接杆的轴心线旋转，所述调心支架作为支点承托连接杆的另一端，所述冷却机构通过循环流动的冷却液带走连接杆上的热量，所述承载支架上直接安装分度头、调心支架和亚共振机构，所述亚共振机构通过承载支架、分度头、调心支架和连接杆将激振传递至钻头，冷却机构、驱动机构和控制中心不接触亚共振机构；感应加热炉，布置在正对连接杆的轴心线的前方，所述感应加热炉安装于第一导轨上，可相对连接杆移动；测量机器人，布置在连接杆的侧面，所述测量机器人安装于第二导轨上，可相对连接杆移动；激光熔覆机器人，固定安装在连接杆的侧面，包括机械臂、送粉装置、激光熔覆头和控制中心。

作为上述方案的改进，还包括独立的房间，所述房间内布置空调，所述感应加热炉、再制造平台和激光熔覆机器人均布置在所述房间内，承托所述测量机器人的第二导轨同时布置在所述房间的内外两侧，使所述测量机器人能够进入或离开房间，相应地所述房间在侧面设置一个专门允许测量机器人通过的门。

作为上述方案的改进，所述连接杆为回转体结构，所述连接杆内部具有空腔，所述连接杆的头部设有螺牙；所述分度头包括三爪卡盘和液压拉杆，所述分度头夹持连接杆的尾部并带动连接杆旋转；所述调心支架夹持连接杆的中部，所述调心支架包括第一支架和三个伸缩杆，三个所述伸缩杆围绕连接杆的周向均匀分布，三个所述伸缩杆均安装于第一支架，各个所述伸缩杆的端部可伸缩活动使各个伸缩杆的端部相对连接杆的距离可调，各个所述伸缩杆的端部均设置轴心线平行于连接杆轴心线的滚轮。

作为上述方案的改进，所述冷却机构包括制冷机组和从制冷机组延伸出的两条液体循环管，两条所述液体循环管从连接杆的尾部插入然后与连接杆的空腔连通，一条所述液体循环管的端口位于靠近连接杆尾部的位置，一条所述液体循环管的端口位于靠近连接杆头部的位置。

作为上述方案的改进，所述亚共振机构包括激振器、测振器、导轨、胶垫和控制中心，所述测量机器人采用激光测量仪或视觉测量仪。

本发明具有如下有益效果：

连接杆通过螺牙连接钻头，方便更换不同型号的钻头；

连接杆带动钻头旋转，可以测量机器人和激光熔覆机器人联动，实现钻头修复最佳位置的自动控制；

冷却机构避免钻头熔覆的热量传导到分度头，避免损坏工装；

感应器获取钻头的参数，监控记录加工状态，全程将数据传递给控制中心， PLC程序可以内置多套工艺，可以根据不同的工艺要求自动切换，整套生产线自动化程度高；

亚共振机构给钻头施加共振，可以减少应力，提高熔覆焊接质量；

感应加热炉和测量机器人可以移动，不影响激光熔覆机器人的工作，特别是可以将测量机器人转移到更为凉快的房间外，能最好地保护测量机器人；相比传统方案中一边测量一边熔覆的方案(加工位置温度很高，对测量机器人要求高，选型难度大)，上述设计可以扩大设备选定范围，特别是选用更精密更精准的测量机器人。

附图说明

图1是一种实施例下整个生产线的俯视图；

图2是一种实施例下再制造平台的立体图；

图3是一种实施例下分度头位置的立体图；

图4是一种实施例下感应加热炉的立体图。

附图标记说明：10、房间；11、空调；12、控制中心；20、再制造平台；21、钻头；22、连接杆；23、三爪卡盘；24、第一支架；25、伸缩杆；31、测量机器人；32、人工测量平台；40、激光熔覆机器人；50、感应加热炉；51、炉门； 52、主齿轮；53、从齿轮；54、齿条；55、炉门电机；61、液体循环管；62、承载支架；70、亚共振机构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图1至图4，本发明公开了一种钻头激光熔覆的生产线，主要的发明点是高效地布置各个零部件，优化生产效率；同时适应性地改进部分零部件(比如再制造平台20)；也调整熔覆的流程，先全面测量钻头21，再统一规划熔覆路径。

如图1所示，整个生产线包括再制造平台20、控制中心12、感应加热炉 50、测量机器人31、激光熔覆机器人40、人工测量平台32以及将上述零部件合理遮盖的房间10。再制造平台20用于夹持和旋转钻头21，感应加热炉50用于预热或保温钻头21，测量机器人31用于获取钻头21的实际模型，激光熔覆机器人40用于修复钻头21，人工测量平台32用于人工校核钻头21尺寸。以再制造平台20为中心，感应加热炉50布置在正左边，测量机器人31布置在下方，激光熔覆机器人40布置在左下角的位置；其中感应加热炉50安装在第一导轨上，可靠近和远离再制造平台20，腾出工作空间给激光熔覆机器人40；同理测量机器人31安装在第二导轨上，可靠近或远离再制造平台20，既可以腾出工作空间给激光熔覆机器人40，又可以避免高温损坏精密的测量部件。房间 10覆盖上述零部件，但测量机器人31需要进入房间10(承托所述测量机器人 31的第二导轨同时布置在所述房间10的内外两侧，使所述测量机器人31能够进入或离开房间10，相应地所述房间10在侧面设置一个专门允许测量机器人 31通过的门)。房间10内还布置有空调11，用于降低房间10内的温度。控制中心12布置在房间10外，既避免高温影响设备，工作人员也不需要在高温环境下工作。

感应加热炉50、测量机器人31和激光熔覆机器人40均可以在市场上采购。本实施例中，感应加热炉50采用中频炉加热炉。

如图2所示，可以看到位于左边的连接杆22、位于右边的钻头21、夹持连接杆22左端的三爪卡盘23、夹持连接杆22中部的调心支架、用于临时加热钻头21的感应加热炉50。三爪卡盘23由分度头驱动旋转，本实施例中为了展示连接杆22，暂时移除分度头，分度头属于现有技术，详细情况可以参照其他现有技术。

本实施例中，钻头21通过螺牙拧在连接杆22上，实现多种常用型号钻头 21的连接。三爪卡盘23通过液压拉杆机构驱动，实现自动夹紧和松开。感应加热炉50的中间具有允许钻头21进入的入口。由于预热钻头21或后续保温，钻头21上的热量会传递至连接杆22，为了降低连接杆22的温度，本实施例中，将连接杆22的内部设为空腔，两条液体循环管61从连接杆22的尾部插入然后与连接杆22的空腔连通；两条液体循环管61的输出端连接制冷循环部分(图 1和2均未示出)。如图3所示，连接杆22的尾部设置密封圈，两个液体循环管61穿过密封圈之后进入连接杆22的空腔，一条液体循环管61的端口位于靠近连接杆22尾部的位置，一条液体循环管61的端口位于靠近连接杆22头部的位置，如此实现液体循环带走热量。

位于最下方的是承载支架62，用于承托上述部件，承载支架62根据所承托部件的不同，适当地增加了台阶。比如为了承托分度头，承载支架62安装了一个辅助支架，本实施例中，调心支架属于非标零件且本身长度足够，所以调心支架的下端直接安装到承载支架62上。承载支架62为了承托感应加热炉50，先在上侧布置第一导轨，然后再将感应加热炉50安装于第一导轨上，此时感应加热炉50可以沿第一导轨移动；第一导轨平行于连接杆22的轴心线，使得感应加热炉50可以正对地靠近或远离钻头21。

再制造平台20还包括亚共振机构70，所述亚共振机构70通过承载支架62、分度头、调心支架和连接杆22将激振传递至钻头21，冷却机构、驱动机构和控制中心12不需要振动和传动振动，所以不接触亚共振机构70，两条液体循环管61适当接触连接杆22不影响冷却机构整体。

如图2所示，调心支架包括第一支架24和三个伸缩杆25，三个伸缩杆25 围绕连接杆22的周向均匀分布，三个伸缩杆25均安装于第一支架24，伸缩杆 25的端部可伸缩活动使各个伸缩杆25的端部相对连接杆22的距离可调。各个伸缩杆25包括壳身和可相对壳身滑动的导杆，所述壳身连接第一支架24，所述导杆的端部布置滚轮，所述壳身的侧面设置销钉孔并通过所述销钉孔安装定位销，所述定位销是否抵住导杆的侧壁实现导杆相对壳身的伸缩。滚轮的旋转中心平行于连接杆22，这样，在连接杆22旋转时，滚轮能够伴随连接杆22旋转。

如图4所示，炉门51为半月形，并且设置两个炉门51，两个炉门51与感应加热炉50铰接，两个炉门51靠拢后遮挡感应加热炉50的入口的外圈部分。钻头21的尺寸小于感应加热炉50的入口，自然地感应加热炉50的入口和钻头 21之间的位置会溢出大量的热量，会干扰到连接杆22和调心支架，而炉门51 的设计正是为了全面遮挡住感应加热炉50容易暴露的位置。两个炉门51靠拢后，炉门51的内侧尽量靠近钻头21，炉门51的外侧宽度大于感应加热炉50 的入口。

本实施例中，为了驱动炉门51，方案还包括炉门电机55、齿条54、主齿轮52和两个从齿轮53，两个所述从齿轮53分别固定在两个所述炉门51的铰接处，两个所述从齿轮53相互啮合，一个所述从齿轮53的下方啮合所述主齿轮52，所述主齿轮52的下方啮合所述齿条54，所述齿条54的另一端啮合炉门电机55。主齿轮52、从齿轮53和齿条54均位于相同平面内，齿条54沿垂直于炉门51的方向左右移动，此时炉门51实现靠拢和分离。

控制中心12包括PLC控制模块、显示模块、输入模块和温度传感器，其中温度传感器获取连接杆22、钻头21和炉门51的温度，将上述参数传递至PLC 控制模块。全程可采用PLC程序自动控制，也可以根据不同工艺要求自动切换工艺程序，可以监控记录工作状态和工艺参数，安全节能，全程无需人工干预，自动化程度高。

为实现上述目的，一种钻头激光熔覆工艺，包括以下步骤：

S10.将所要修复的钻头21安装到再制造平台20；

S20.所述再制造平台20驱动钻头21沿钻头21的轴心线旋转，测量机器人31 靠近钻头21后测量钻头21，然后形成三维的实际模型，钻头21停止旋转，测量机器人31远离钻头21，测量机器人31对比钻头21的实际模型和理论模型，获得钻头21的缺失部分，依据上述缺失部分规划后续的熔覆路径，形成驱动指令；

S30.感应加热炉50朝钻头21移动然后收纳钻头21，按照驱动指令，感应加热炉50预热钻头21(加热钻头21至700℃，加热速率每15min不超过120℃)，预热结束后感应加热炉50移动远离钻头21，钻头21开始旋转，同时再制造平台20在共振系统的激发下传递振动使钻头21共振，激光熔覆机器人 40修复钻头21(钻头21在修复时如果钻头21的温度低于600℃，激光熔覆机器人40停止修复，感应加热炉50重新靠近并收纳钻头21，将钻头21 加工至700℃之后继续熔覆)；

S40.熔覆结束后，感应加热炉50重新靠近并收纳钻头21，进行保温。

在进行步骤S30和S40时，制冷机构运行，不断带走钻头21预热、熔覆、保温过程中传递至再制造平台20的热量。

本发明具有如下有益效果：

连接杆22通过螺牙连接钻头21，方便更换不同型号的钻头21；

连接杆22带动钻头21旋转，可以测量机器人31和激光熔覆机器人40联动，实现钻头21修复最佳位置的自动控制；

冷却机构避免钻头21熔覆的热量传导到分度头，避免损坏工装；

感应器获取钻头21的参数，监控记录加工状态，全程将数据传递给控制中心12，PLC程序可以内置多套工艺，可以根据不同的工艺要求自动切换，整套生产线自动化程度高；

亚共振机构70给钻头21施加共振，可以减少应力，提高熔覆焊接质量；

感应加热炉50和测量机器人31可以移动，不影响激光熔覆机器人40的工作，特别是可以将测量机器人31转移到更为凉快的房间10外，能最好地保护测量机器人31；相比传统方案中一边测量一边熔覆的方案(加工位置温度很高，对测量机器人31要求高，选型难度大)，上述设计可以扩大设备的选型范围，特别是可以选用更精密更精准的测量机器人31。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明 的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明 的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种钻头激光熔覆的生产线，其特征在于包括：

再制造平台，包括连接杆、分度头、调心支架、冷却机构、亚共振机构、驱动机构、控制中心和承载支架，所述分度头夹持连接杆的一端，所述驱动机构通过分度头驱动连接杆绕连接杆的轴心线旋转，所述调心支架作为支点承托连接杆的另一端，所述冷却机构通过循环流动的冷却液带走连接杆上的热量，所述承载支架上直接安装分度头、调心支架和亚共振机构，所述亚共振机构通过承载支架、分度头、调心支架和连接杆将激振传递至钻头，冷却机构、驱动机构和控制中心不接触亚共振机构；

感应加热炉，布置在正对连接杆的轴心线的前方，所述感应加热炉安装于第一导轨上，可相对连接杆移动；

测量机器人，布置在连接杆的侧面，所述测量机器人安装于第二导轨上，可相对连接杆移动；

激光熔覆机器人，固定安装在连接杆的侧面，包括机械臂、送粉装置、激光熔覆头和控制中心；

若干感应器，获取钻头的旋转角度和钻头的温度；

生产线还包括以下生产步骤：

S10.将所要修复的钻头安装到再制造平台；

S20.所述再制造平台驱动钻头沿钻头的轴心线旋转，测量机器人靠近钻头后测量钻头，然后形成三维的实际模型，钻头停止旋转，测量机器人远离钻头，测量机器人对比钻头的实际模型和理论模型，获得钻头的缺失部分，依据上述缺失部分规划后续的熔覆路径，形成驱动指令；

S30.感应加热炉朝钻头移动然后收纳钻头，按照驱动指令，感应加热炉预热钻头，预热结束后感应加热炉移动远离钻头，钻头开始旋转，同时再制造平台在共振系统的激发下传递振动使钻头共振，激光熔覆机器人修复钻头；钻头在修复时如果钻头的温度低于600℃，激光熔覆机器人停止修复，感应加热炉重新靠近并收纳钻头，将钻头加工至700℃之后继续熔覆；

S40.熔覆结束后，感应加热炉重新靠近并收纳钻头，进行保温。

2.根据权利要求1所述钻头激光熔覆的生产线，其特征在于：还包括独立的房间，所述房间内布置空调，所述感应加热炉、再制造平台和激光熔覆机器人均布置在所述房间内，承托所述测量机器人的导轨同时布置在所述房间的内外两侧，使所述测量机器人能够进入或离开房间，相应地所述房间在侧面设置一个专门允许测量机器人通过的门。

3.根据权利要求2所述的生产线，其特征在于：

所述连接杆为回转体结构，所述连接杆内部具有空腔，所述连接杆的头部设有螺牙；

所述分度头包括三爪卡盘和液压拉杆，所述分度头夹持连接杆的尾部并带动连接杆旋转；

所述调心支架夹持连接杆的中部，所述调心支架包括第一支架和三个伸缩杆，三个所述伸缩杆围绕连接杆的周向均匀分布，三个所述伸缩杆均安装于第一支架，各个所述伸缩杆的端部可伸缩活动使各个伸缩杆的端部相对连接杆的距离可调，各个所述伸缩杆的端部均设置轴心线平行于连接杆轴心线的滚轮。

4.根据权利要求3所述钻头激光熔覆的生产线，其特征在于：所述冷却机构包括制冷机组和从制冷机组延伸出的两条液体循环管，两条所述液体循环管从连接杆的尾部插入然后与连接杆的空腔连通，一条所述液体循环管的端口位于靠近连接杆尾部的位置，一条所述液体循环管的端口位于靠近连接杆头部的位置。

5.根据权利要求4所述钻头激光熔覆的生产线，其特征在于：所述亚共振机构包括激振器、测振器、导轨、胶垫和控制中心，所述测量机器人采用激光测量仪或视觉测量仪。

6.根据权利要求5所述钻头激光熔覆的生产线，其特征在于：所述步骤S30中，采用中频加热炉预热钻头，将工频50Hz交流电变为中频，加热钻头至700℃，加热速率每15min不超过120℃。

7.根据权利要求6所述钻头激光熔覆的生产线，其特征在于：所述再制造平台内布置冷却机构，在步骤S30和S40中不断带走钻头预热、熔覆、保温过程传递至再制造平台的热量。

8.根据权利要求7所述钻头激光熔覆的生产线，其特征在于：所述驱动指令由PLC程序执行。

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